DK168679B1

DK168679B1 - Stack of fuel cells with a cooling system

Info

Publication number: DK168679B1
Application number: DK323088A
Authority: DK
Inventors: Martin L Abrams; Aquila Daniel L D; Glenn William Scheffler
Original assignee: Int Fuel Cells Corp
Priority date: 1987-06-15
Filing date: 1988-06-14
Publication date: 1994-05-16
Also published as: JPH0766828B2; DE3875282T2; DK323088A; JPS6414876A; DE3875282D1; CA1297310C; EP0295629B1; EP0295629A1; DK323088D0

Description

DK 168679 B1DK 168679 B1

Opfindelsen angår et anlæg til afkøling af kølevæske til en stabel af brændselsceller i et lukket kølekredsløb. Specielt angår opfindelsen et køleanlæg, som ikke indbefatter dampkondensation, og hvor kølemidlet afkøles til et under-5 afkølingsniveau, inden det genindføres i stablen.The invention relates to a system for cooling coolant to a stack of fuel cells in a closed cooling circuit. In particular, the invention relates to a refrigeration plant which does not include vapor condensation and wherein the refrigerant is cooled to a sub-cooling level before being reintroduced into the stack.

Kraftanlæg med stablede brændselsceller, der bruger vand som kølemiddel, vil typisk anvende kølemidlet i en tofaset vand/dampmetode under stort set hele passagen af kølemidlet gennem stablen. Temperaturen af vandet i tofase-10 -kølemidlet vil være i hovedsagen konstant, når kølemidlet passerer gennem stablen, med procentdelen af damp voksende i tofase-kølemidlet fra køleindløbet til køleudløbet. Kølemidlet forbliver altså i en hovedsagelig isoterm tilstand, når det passerer gennem stablens kølepassager. For at bevare 15 kølemidlets isotermiske natur anvendes der i reglen i anlæg, som afkøles på denne måde, samvirkende dampkondensatorer og dampseparatorer, således at vandet ikke afkøles væsentligt, før det sendes tilbage til stablen. Kølemidlet vil således blive afgivet fra kølepassagerne i stablen som en tofaset 20 vand/damp-blanding og blive ført til en dampkondensator for kondensation af mere vand ud af dampfasen og også blive sendt til en dampseparator, hvor damp- og vandfaserne adskilles, og dampen sendes til en brændstofreformer og vandet føres tilbage til kølemiddelpassagerne i stablen. Konden-25 satoren og separatoren kan benyttes i vilkårlig rækkefølge. Inden tilbageføringen til stablen blandes returvandet i reglen med tilsætningsvand, men temperaturen af returvandet vil under denne recirkulation ikke blive sænket mere end nogle ganske få grader. Der hvor kølevandet returneres til 30 stablen, begynder det næsten øjeblikkeligt at koge og frembringe mere damp.Stacked fuel cell power plants that use water as a refrigerant will typically use the refrigerant in a two-phase water / vapor method during virtually the entire passage of the refrigerant through the stack. The temperature of the water in the two-phase refrigerant will be substantially constant as the refrigerant passes through the stack, with the percentage of vapor increasing in the two-phase refrigerant from the cooling inlet to the cooling outlet. Thus, the refrigerant remains in a substantially isothermal state as it passes through the cooling passages of the stack. In order to preserve the isothermal nature of the refrigerant, co-operating steam capacitors and steam separators are usually used in systems which are cooled in this way, so that the water is not significantly cooled before being returned to the stack. Thus, the refrigerant will be released from the cooling passages in the stack as a two phase 20 water / steam mixture and fed to a steam condenser for condensing more water out of the steam phase and also sent to a steam separator where the steam and water phases are separated and the steam is sent. to a fuel reformer and the water is fed back to the refrigerant passages in the stack. The condenser and separator can be used in any order. Before returning to the stack, the return water is usually mixed with additive water, but the temperature of the return water during this recirculation will not be lowered more than a few degrees. Where the cooling water is returned to the stack, it almost immediately starts to boil and produce more steam.

Der forekommer adskillige problemer med køleanlæg af den foran nævnte art til brændselsceller. Et af problemerne vedrører håndteringen af dampfasen og den omstændighed, at 35 dampkondensatorerne fysisk må være hævet op over dampseparatoren, og dampseparatorerne fysisk må være hævet op over DK 168679 B1 2 cellestablen. Herved opstår indbygnings- eller installeringsproblemer ved opbygningen af brændselscellesystemet på grund af den nødvendige højde af huset, hvori systemet skal anbringes. Disse problemer er især fremherskende ved små til 5 middelstore kraftanlæg. Et andet problem, der opstår ved den isotermiske afkøling af brændselscellestablerne forekommer i celler, der anvender vandige elektrolytopløsninger såsom sure eller alkaliske celler. Dette andet problem vedrører fordampningen af elektrolytten i oxidationsgassen.There are several problems with refrigeration systems of the aforementioned kind for fuel cells. One of the problems concerns the handling of the vapor phase and the fact that the vapor capacitors must be physically raised above the vapor separator and the vapor separators must be physically raised above the cell stack. This causes installation or installation problems in the construction of the fuel cell system because of the required height of the housing in which the system is to be placed. These problems are particularly prevalent in small to 5 medium power plants. Another problem that arises from the isothermal cooling of the fuel cell stacks occurs in cells using aqueous electrolyte solutions such as acidic or alkaline cells. This second problem concerns the evaporation of the electrolyte in the oxidizing gas.

10 Den fordampede elektrolyt forlader celleområdet med den udstødte oxidationsgas. Uden specielle modifikationer af cellestrukturen vil dette ustandseligt medføre alvorlige problemer, som er vedvarende ved høje belastninger. Det kræver elektrolytudskiftning og en speciel stabelkonstruktion 15 at bekæmpe korrosion i stabelmanifoldledninger og lignende steder.The evaporated electrolyte leaves the cell area with the expelled oxidation gas. Without special modifications to the cell structure, this will constantly cause serious problems that are sustained at high loads. It requires electrolyte replacement and a special stack construction 15 to combat corrosion in stack manifolds and similar places.

Opfindelsen angår et køleanlæg til brændselsceller med et kølesystem, som er ikke-isotermisk, og som ikke indebærer dampkondensation ved varmeafgivelse fra kølemidlet, 20 inden det returneres til stablen. Tofase-vand/dampkølemidlet, der afgives fra stablens køleledninger føres til en dampse-paratortromle, hvor dampfasen adskilles fra vandfasen, og dampfasen ledes til en katalytisk reformer, hvori ubehandlet hydrocarbonbrændsel med damp omdannes til et hydrogen-rigt 25 brændsel til forbrug i cellerne. Den udskilte vandfase føres til en varmeveksler, hvor vandtemperaturen sænkes til et forud fastsat underafkølingsniveau, inden vandet føres tilbage til stablens kølepassager. Der findes en omløbsledning, gennem hvilket vandet kan strømme uden om varmeveksleren, 30 og en reguleringsventil, som regulerer vandets strømningsbane i forhold til varmeveksleren. Efter at have forladt dampseparatoren vil altså alt, noget, eller intet af vandet strømme gennem varmeveksleren, og resten vil passere uden om varmeveksleren, og så iblandes igen inden genindføringen i stab-35 len. En temperatur føler er anbragt nedenstrøms for dampseparatoren til kontinuerlig overvågning af temperaturen af DK 168679 B1 3 vandet, der kommer ud fra dampseparatoren. Føleren er forbundet med kraftanlæggets mikroprocessor-regulator, så denne kontinuerligt kan justere reguleringsventilen til opretholdelse af korrekt vandtemperatur ved tilgangen til stablen.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention This invention relates to a fuel cell refrigeration system having a non-isothermal refrigeration system which does not involve vapor condensation upon heat release from the refrigerant before returning to the stack. The two-phase water / vapor coolant delivered from the stack's cooling lines is fed to a steam separator drum, where the vapor phase is separated from the water phase and the vapor phase is passed to a catalytic reformer in which untreated steam hydrocarbon fuel is converted into a hydrogen-rich fuel for consumption in the cells. The separated water phase is fed to a heat exchanger, where the water temperature is lowered to a predetermined subcooling level before the water is returned to the cooling passages of the stack. There is an inlet line through which the water can flow around the heat exchanger, 30 and a control valve which regulates the flow path of the water relative to the heat exchanger. Thus, after leaving the vapor separator, all, some, or none of the water will flow through the heat exchanger, and the remainder will pass around the heat exchanger, and then be mixed again before re-introduction into the stack. A temperature sensor is located downstream of the vapor separator to continuously monitor the temperature of the water coming out of the vapor separator. The sensor is connected to the microprocessor controller of the power plant, so that it can continuously adjust the control valve to maintain the correct water temperature when approaching the stack.

5 Når vandet, der forlader dampseparatoren, f.eks. er for varmt, justeres ventilen, så den leder en større vandmængde gennem varmeveksleren, og når vandet fra separatoren er for koldt, ledes en større mængde gennem omløbsledningen. Det underafkølede vand, som strømmer ind i stablen orienteres i 10 stablen, så den bringer elektrolytdamp til at kondensere ud af den oxiderende gasstrøm og returnere til den elektroly-tiske matrix, inden den oxiderende gasstrøm udsendes fra stablen. Denne kondensationsmåde forøger i væsentlig grad den effektive levetid af elektrolytten i stablen.5 When the water leaving the steam separator, e.g. is too hot, the valve is adjusted to pass a larger amount of water through the heat exchanger, and when the water from the separator is too cold, a larger amount is passed through the bypass line. The undercooled water flowing into the stack is oriented in the stack to cause electrolyte vapor to condense out of the oxidizing gas stream and return to the electrolytic matrix before the oxidizing gas stream is emitted from the stack. This mode of condensation significantly increases the effective life of the electrolyte in the stack.

15 Det er derfor formålet med opfindelsen at tilvejebrin ge en forbedret køleanlæg til brændselsceller, som ikke isotermisk afkøler cellerne i stablerne.It is therefore an object of the invention to provide an improved refrigeration system for fuel cells which does not isothermally cool the cells in the stacks.

Et andet formål med opfindelsen er at tilvejebringe et køleanlæg af den omhandlede art, som ikke indbefatter 20 kondensation af damp til afgivelse af varme i kølemidlet, inden det returneres til stablerne.Another object of the invention is to provide a refrigeration plant of the kind in question which does not include condensation of steam to release heat into the refrigerant before returning it to the stacks.

Et yderligere formål med opfindelsen er at tilvejebringe et køleanlæg af den omhandlede art, i hvilket tofase-vand/dampblandingen, som udsendes fra stablens kølepassager, 25 adskilles i sine to faser, og vandet så underafkøles, inden det returneres til stablen.It is a further object of the invention to provide a cooling plant of the kind in which the two-phase water / vapor mixture emitted from the cooling passages of the stack is separated into its two phases and the water then cooled before being returned to the stack.

Endnu et formål med opfindelsen er at anvise et køleanlæg af den omhandlede art, i hvilket der findes en reguleringsventil til at variere den vandmængde, som underafkøles, 3 0 i afhængighed af temperaturen af vandet, der forlader vand/-damp-separatoren.It is a further object of the invention to provide a refrigeration plant of the kind in which there is a control valve for varying the amount of water which is cooled down, depending on the temperature of the water leaving the water / vapor separator.

Endnu et formål med opfindelsen er at tilvejebringe et køleanlæg af den omhandlede art, i hvilket fordampet elektrolyt kondenseres ud af oxidationsgasserne, inden disse 35 udstødes fra brændstofcellerne i stablerne.Another object of the invention is to provide a cooling plant of the kind in which evaporated electrolyte is condensed out of the oxidizing gases before being ejected from the fuel cells in the stacks.

Disse og andre formål med og fordele ved opfindelsen DK 168679 B1 4 vil fremgå af den efterfølgende beskrivelse af en foretrukken udførelsesform i forbindelse med tegningen, hvor fig. 1 skematisk viser et kølekredsløb for kølemiddel i et brændselscellekøleanlæg ifølge opfindelsen, 5 fig. 2 et skematisk billede af en køleplade og visende den generelle strømningsbane for kølemidlet gennem pladen langs den overlejrede strømningsbane for oxidationsgassen, og fig. 3 en grafisk fremstilling af kølemidlets termiske 10 profil, når det passerer gennem kølepladerne.These and other objects and advantages of the invention will be apparent from the following description of a preferred embodiment of the drawing, in which: FIG. 1 schematically shows a refrigerant refrigerant circuit in a fuel cell refrigeration system according to the invention; FIG. 2 is a schematic view of a cooling plate showing the general flow path of the refrigerant through the plate along the superimposed oxidation gas flow path; and FIG. 3 is a graphical representation of the thermal profile of the refrigerant as it passes through the cooling plates.

I fig. 1 er i skematisk form vist en foretrukken udførelsesform for et kølekredsløb til en stabel brændselsceller i køleanlægget ifølge opfindelsen. Cellestablen er betegnet med henvisningstallet 2 og beskrives som et phos-15 phor syresy stem, men det bemærkes at en hvilken som helst vandig elektrolyt kan benyttes i anlægget ifølge opfindelsen.In FIG. 1 is a schematic representation of a preferred embodiment of a refrigeration circuit for a stack of fuel cells in the refrigeration system according to the invention. The cell stack is designated by reference numeral 2 and is described as a phosphoric acid system, but it is noted that any aqueous electrolyte can be used in the system of the invention.

I stablen 2 er vist en køleplade 4, hvor kølevandet strømmer ind i kølepladen 4 ved et indløb 6 og forlader kølepladen ved et udløb 8, idet indløbet 6 og udløbet 8 er forbundet 20 indbyrdes gennem en serpentineformet kølemiddelpassage 10.In the stack 2 is shown a cooling plate 4, where the cooling water flows into the cooling plate 4 at an inlet 6 and leaves the cooling plate at an outlet 8, the inlet 6 and the outlet 8 being connected to each other through a serpentine-shaped refrigerant passage 10.

Det vil forstås, at selvom der kun er vist en enkelt køleplade 4 i fig. 1 vil en stabel i virkeligheden indeholde flere sådanne plader, og pladen 4 kan være udformet som en plade med en eller flere profilerede passager eller være for-25 bundet med kølerør. Kølemidlet er i form af en tofaset vand/-damp-blanding, når det forlader udløbet 8. Denne tofasede blanding passerer gennem et varmeaggregat 12, der er vist som en elektrisk varmer, og derfra til en vand/damp-separa-tortromle 14. Varmeaggregatet 12 er beregnet til at bruges 30 ved start og under lave belastninger. Dampfraktionen af den tofasede blanding udtages i separatoren 14 gennem en ledning 16, som fører dampen til en katalytisk hydrocarbon-bræn-delsreformer (ikke vist). Vandfraktionen udtages fra separatoren gennem en ledning 18, hvor en temperaturføler T kon-35 tinuerligt overvåger temperaturen af vandet, der forlader separatoren 14. Føleren T føder vandtemperaturdata til en DK 168679 B1 5 mikroprocessor 20, der styrer driften af hele kraftanlægget.It will be appreciated that although only a single heat sink 4 in FIG. 1, a stack will in fact contain several such plates, and plate 4 may be formed as a plate with one or more profiled passages or be connected to cooling tubes. The refrigerant is in the form of a two phase water / vapor mixture as it exits outlet 8. This two phase mixture passes through a heater 12 shown as an electric heater and thence to a water / vapor separator drum 14. The heater 12 is intended to be used 30 at start and under low loads. The vapor fraction of the biphasic mixture is taken out in separator 14 through a conduit 16 which leads the vapor to a catalytic hydrocarbon fuel reformer (not shown). The water fraction is withdrawn from the separator through a line 18, where a temperature sensor T continuously monitors the temperature of the water leaving the separator 14. The sensor T feeds water temperature data to a microprocessor 20 which controls the operation of the entire power plant.

Det udskilte vand pumpes med en pumpe P til en varmeveksler 22, hvor temperaturen af vandet sænkes til et underafkølet niveau, dvs. til et niveau, som ligger under mætningstempera-5 turen svarende til trykket i stabelkølekredsløbet. Opstrøms for pumpen P tilsættes vand til kredsløbet gennem en ledning 24 til erstatning for vand, som kredsløbet har mistet i dampen.The separated water is pumped with a pump P to a heat exchanger 22, where the temperature of the water is lowered to an undercooled level, ie. to a level below the saturation temperature corresponding to the pressure in the stack cooling circuit. Upstream of the pump P, water is added to the circuit through a conduit 24 to replace water lost in the steam in the circuit.

Varmeveksleren 22 arbejder fortrinsvis med et flydende 10 eller gasformigt kølemiddel. Mellem varmeveksleren 22 og kølemiddel indløbet 6 er anbragt en reguleringsventil 26, der styres eller moduleres af en aktuator A, der styres fra mikroprocessoren 20. Ventilen 26 er en trevejsventil, som er forbundet med udløbsledningen 28 fra varmeveksleren 22, 15 med indløbet 6 og med en omløbsledning 30, som kan lede vand udenom varmeveksleren 22. Mikroprocessoren 20 ændrer til stadighed stillingen af ventilen 26 i afhængighed af svingninger i temperaturen af det af føleren T affølte vand. Ventilen 26 fordeler således vandstrømmen gennem varmeveksle-20 ren 22 og gennem omløbsledningen 30 således, at vandet som strømmer gennem indløbet 6 har den tilstræbte underafkølede temperatur. Dette betyder, at hvis for varmt vand af føles af føleren T, vil ventilen 26 blive indstillet til at lede mere vand gennem varmeveksleren 22, og når for kolde tempera-25 turer afføles af føleren T, vil ventilen blive indstillet til at lede mere vand gennem omløbsledningen 30.The heat exchanger 22 preferably operates with a liquid 10 or gaseous refrigerant. Between the heat exchanger 22 and the coolant inlet 6 is arranged a control valve 26 which is controlled or modulated by an actuator A controlled by the microprocessor 20. The valve 26 is a three-way valve which is connected to the outlet line 28 from the heat exchanger 22, 15 with the inlet 6. a bypass line 30 capable of passing water outside the heat exchanger 22. The microprocessor 20 constantly changes the position of the valve 26 in response to fluctuations in the temperature of the water filled by the sensor T. The valve 26 thus distributes the flow of water through the heat exchanger 22 and through the bypass line 30 such that the water flowing through the inlet 6 has the desired undercooled temperature. This means that if too hot water is sensed by the sensor T, the valve 26 will be set to pass more water through the heat exchanger 22, and when too cold temperatures are sensed by the sensor T, the valve will be set to conduct more water. through the bypass line 30.

I det følgende er som et eksempel givet nogle illustrerende arbejdstemperaturer, der kan tilstræbes og anvendes i kredsløbet. Cellerne i stablen kan styres med en temperatur 30 på ca. 204°C. Mætningstemperaturen for kølevand vil være ca. 190°C og vandtrykket 13 kg/cm2. Temperaturen ved underkøling af vandet efter varmeveksleren, men før kølemiddelindløbet tilstræbes at være ca. 177°C. Kølemidlet vil således træde ind i kølepassagerne i stablen med en nominel tempera-35 tur på 177'C, hvorefter temperaturen af vandet vil stige jævnt til mætningstemperaturen på 190"C, ved hvilken tempe- DK 168679 B1 6 raturvandet vil koge og danne damp, når det passerer gennem den resterende del af kølepassagerne i stablen. Den del af cellerne, som afkøles af det nærmest indløbet indstrømmende vand, vil således være koldere end resten af cellearealet.In the following, some exemplary working temperatures are provided which can be sought and used in the circuit. The cells in the stack can be controlled at a temperature of approx. 204 ° C. The saturation temperature for cooling water will be approx. 190 ° C and water pressure 13 kg / cm 2. The temperature of undercooling the water after the heat exchanger, but before the refrigerant inlet is sought to be approx. 177 ° C. Thus, the refrigerant will enter the cooling passages in the stack at a nominal temperature of 177 ° C, after which the temperature of the water will rise evenly to the saturation temperature of 190 ° C, at which the temperature of the water will boil and form steam. as it passes through the remaining portion of the cooling passages in the stack, the portion of the cells cooled by the near-inflowing water will thus be colder than the rest of the cell area.

5 Strømningsbanen for oxidationsmidlet, som ved et syrecel-lesystem er strømningsbanen for katodeluften, vil være indrettet således, at luften strømmer ind i stabelcellerne nær ved kølemiddeludløbet 8, således som angivet ved pilene 32 i fig. 1 og 2, og katodeudstrømningen strømmer ud af cellerne 10 nær kølemiddelindløbet 6 som angivet med pilene 34 i fig. 1 og 2. I fig. 2 er den stiplede linie 36 anvendt til at markere den indvendige grænse for den del af cellerne, som er koldest, fordi de ikke afkøles af væske ved mætningstemperaturen. Den viste del 38 af cellerne er således kondensations-15 zonen, hvori katodegasser afkøles før de forlader stablen, og hvori syre, som er fordampet i katodegasserne vil kon-sendere tilbage og genindføres i elektrolytmatrixen. Fortrinsvis vil den del af cellerne, som befinder sig til højre for den stiplede linie 36 i fig. 2, være den del hvor den 20 elektrokemi ske reaktion finder sted, og den vil også blive i hovedsagen helt isotermisk afkølet. Den del af cellerne, som befinder sig til venstre for den stiplede linie 36 i fig. 2, vil i hovedsagen være fri for elektrokemisk reaktion, og vil indbefatte en matrixforlængelse på hvilken syre kan 25 kondensere og ledes tilbage i den elektrokemisk aktive del af cellerne.5 The flow path of the oxidant, which in an acid cell system is the flow path of the cathode air, will be arranged so that the air flows into the stack cells near the refrigerant outlet 8, as indicated by arrows 32 in FIG. 1 and 2, and the cathode effluent flows out of the cells 10 near the refrigerant inlet 6 as indicated by arrows 34 in FIG. 1 and 2. In FIG. 2, the dotted line 36 is used to mark the inner boundary of the part of the cells which is coldest because they are not cooled by liquid at the saturation temperature. Thus, the portion 38 shown in the cells is the condensation zone in which cathode gases are cooled before leaving the stack and in which acid evaporated in the cathode gases will transmit back and reintroduce into the electrolyte matrix. Preferably, the portion of the cells located to the right of the dashed line 36 of FIG. 2, be the part where the electrochemical reaction takes place and it will also be substantially isothermally cooled. The portion of the cells located to the left of the dotted line 36 in FIG. 2, will be substantially free of electrochemical reaction, and will include a matrix extension upon which acid can condense and return into the electrochemically active portion of the cells.

I fig. 3 er vist en grafisk fremstilling af køletemperaturen T i forhold til den tid t, det tager for kølemidlet at passere gennem stablen fra indløbet 6 til udløbet 8.In FIG. 3 is a graphical representation of the cooling temperature T with respect to the time t it takes for the refrigerant to pass through the stack from the inlet 6 to the outlet 8.

30 Temperatur-tidsforholdet ved den tidligere anvendte fuldstændigt isotermiske afkøling er vist med nedtonede linier, og forvarmning plus delvis isotermisk afkøling i anlægget ifølge opfindelsen er vist med fuldt optrukne linier. Det ses at tilsætningen af tilsætningsvand ved den kendte, helt 35 isotermiske afkøling vil sænke temperaturen af vandet, der træder ind i kølemiddel indløbet med en størrelse af 1 til DK 168679 B1 7 2° C, men at tilbagevendingen til isotermisk kogetemperatur sker meget hurtigt og ikke resulterer i nogen nævneværdig underafkølingstid. I fig. 3 repræsenterer iT antallet af grader under den isotermiske kogetemperatur, ved hvilken 5 den underafkølede tilgangstemperatur befinder sig, og it repræsenterer det tidsrum, som det tager det underafkølede vand at nå op på den isotermiske kogetemperatur, når vandet passerer gennem kølemiddelpassagerne i stablen. iT styres af varmeveksleren 22 og reguleringsventilen 26, og it styres 10 af strømningshastigheden af kølevand i kølepassagerne. Man behøver således blot at vælge et iT, som giver tilstrækkelig afkøling til at bevirke at syredampen kondenserer ud af katodegassen, før den forlader cellepladeområdet, og et it, som vil tilvejebringe en veldefineret kondensationszone i 15 cellepladearealet nær den elektrokemisk aktive del af dette.The temperature-time ratio of the previously used fully isothermal cooling is shown in dimmed lines, and preheating plus partial isothermal cooling in the system according to the invention is shown in solid lines. It is seen that the addition of additive water at the known fully isothermal cooling will lower the temperature of the water entering the refrigerant inlet at a magnitude of 1 to 2 ° C, but that the return to isothermal boiling temperature occurs very quickly and does not result in any appreciable undercooling time. In FIG. 3 represents iT the number of degrees below the isothermal boiling temperature at which the undercooled inlet temperature is, and it represents the amount of time it takes the undercooled water to reach the isothermal boiling temperature as the water passes through the refrigerant passages in the stack. It is controlled by the heat exchanger 22 and the control valve 26, and it is controlled by the flow rate of cooling water in the cooling passages. Thus, one simply needs to select an iT which provides sufficient cooling to cause the acid vapor to condense out of the cathode gas before leaving the cell plate area, and an IT which will provide a well-defined condensation zone in the cell plate area near the electrochemically active portion thereof.

Det vil forstås at kølekredsløbet til afkøling af stablen af brændselsceller i anlægget ifølge opfindelsen kan fremstilles med konventionelle komponenter og vil gøre det lettere at opbygge og installere anlægget uden de be-20 grænsninger på grund af pladsforhold, som forekommer ved kraftanlæg, hvori der udnyttes dampkondensation til bortledning af varme i kølemiddel, der returneres til stablerne.It will be appreciated that the cooling circuit for cooling the stack of fuel cells in the plant according to the invention can be manufactured with conventional components and will facilitate the construction and installation of the plant without the limitations due to space conditions occurring in power plants utilizing steam condensation. for dissipating heat in refrigerant returned to the stacks.

Der er færre komponenter i anlægget end i de hidtil kendte anlæg, og problemet med elektrolyttab ved fordampning er 25 løst. Ved at anvende genvinding ved elektrolytkondensation ifølge opfindelsen, kan elektrolyttens levetid fordobles i en stabel, som iøvrigt arbejder under normale forhold. I anlægget ifølge opfindelsen er opnået meget nøjagtig styring af temperaturen af kølemidlet ved genindtrædning ved anven-30 delsen af temperaturføleren, der samvirker med reguleringsventilen for kølemidlet.There are fewer components in the system than in the known systems and the problem of electrolyte loss by evaporation is solved. By using recovery by electrolyte condensation according to the invention, the lifetime of the electrolyte can be doubled in a stack which otherwise works under normal conditions. In the system according to the invention very accurate control of the temperature of the refrigerant is obtained by re-entry by the use of the temperature sensor which cooperates with the control valve for the refrigerant.

Claims

1. Stabel af brændselsceller med et køleanlæg, som anvender et kølemiddel i form af vand samt et kølemiddel-varmebortledningskredsløb, idet kredsløbet ikke indeholder 5 en dampkondensator, kendetegnet ved, at anlægget indbefatter: a) organer (4), der danner kølemiddelpassager (10) i stablen (2) og har en indløbsende (6) og en udløbsende (8) for hhv. optagelse af vand og afgivelse af en 10 vand/damp-blanding, b) en dampseparator (14) til at adskille vand/damp-blan- dingen i vand og damp, c) et første ledningssystem ved udløbsenden (8) for kølemiddelpassagerne til overføring af vand/damp- 15 blandingen i kredsløbet til dampseparatoren (14), d) en varmeveksler (22) indrettet til at sænke vandets temperatur til en tilstræbt underafkølingstemperatur, der ligger en forud fastlagt værdi under vandets autotermiske kogetemperatur ved trykket i brændstof- 20 cellestablen (2), e) et andet ledningssystem (18) ved dampseparatoren (14) til overføring af vand fra dampseparatoren til varmeveksleren (22), f) et tredie ledningssystem (28) ved varmeveksleren 25 (22) til overføring af vandet fra varmeveksleren til indløbsenden (6) af kølemiddelpassagerne (10), g) en justerbar ventil (26) i det nævnte tredie ledningssystem, h) en omløbsledning (30), der forbinder det andet (18) 30 og tredie (28) ledningssystem uden om varmeveksleren (22), således at vand, der strømmer gennem omløbsledningen fra det andet ledningssystem til det tredie ledningssystem ikke strømmer gennem varmeveksleren, i) følerorganer (T) i det nævnte andet ledningssystem 35 (18) og indrettede til at af føle temperaturen af vandet, der strømmer fra dampseparatoren (14), og DK 168679 B1 9 j) styreorganer (20), der er operativt forbundet med følerorganerne (T) og med den justerbare ventil (26), hvilke styreorganer (20) er indrettede til at bringe ventilen (26) til at forøge den del af vandmængden, 5 som strømmer gennem varmeveksleren (22) som reaktion på en forøget vandtemperatur målt af føleren (T), og omvendt til at bringe ventilen (26) til at forøge den del af vandmængden, som strømmer gennem omløbet (30) som reaktion på aftagende vandtemperatur målt af 10 føleren (T), således at temperaturen af vandblandingen i det nævnte tredie ledningssystem (28) fra varmeveksleren (22) og fra omløbsledningen (30) er i hovedsagen lig med den tilstræbte underafkølingstemperatur.A stack of fuel cells with a cooling system using a refrigerant in the form of water and a refrigerant heat dissipation circuit, the circuit not containing 5 a steam capacitor, characterized in that the system includes: (a) means (4) forming refrigerant passageways (10); ) in the stack (2) and has an inlet end (6) and an outlet end (8) respectively. uptake of water and delivery of a 10 water / vapor mixture, b) a vapor separator (14) to separate the water / vapor mixture into water and vapor, c) a first conduit system at the outlet end (8) of the refrigerant passage for transfer d) a heat exchanger (22) adapted to lower the temperature of the water to a desired subcooling temperature which is a predetermined value below the autothermal boiling temperature of the water at the pressure in the fuel cell stack. (2), e) a second conduit system (18) at the steam separator (14) for transferring water from the steam separator to the heat exchanger (22), f) a third conduit system (28) at the heat exchanger 25 (22) for transferring the water from the heat exchanger to (g) an adjustable valve (26) in said third conduit system; h) an inlet conduit (30) connecting the second (18) 30 and third (28) conduit system outside of said v. the arm exchanger (22) so that water flowing through the bypass line from the second conduit system to the third conduit system does not flow through the heat exchanger, i) sensing means (T) in said second conduit system 35 (18) and adapted to sense the temperature of the water flowing from the steam separator (14), and (j) control means (20) operatively connected to the sensing means (T) and to the adjustable valve (26), which control means (20) are arranged to bring the valve (26) to increase the portion of the water flow 5 through the heat exchanger (22) in response to an increased water temperature measured by the sensor (T), and vice versa to cause the valve (26) to increase the portion of the water quantity flowing through the circulation (30) in response to decreasing water temperature measured by the sensor (T) such that the temperature of the water mixture in said third conduit system (28) from the heat exchanger (22) and from the circulation conduit (3) 0) is substantially equal to the desired subcooling temperature.

2. Stabel af brændselsceller ifølge krav l, k e n-15 detegnet ved, at det indbefatter et organ (P), der er indrettet til at tilvejebringe en forud fastsat strømningshastighed af kølevandet gennem stablens kølepassager (10), hvilken strømningshastighed kombineret med den tilstræbte underafkølingstemperatur er indrettet til at til-20 vejebringe en defineret zone (38) af stablen nær indløbet (6) til kølemiddelpassagerne, hvori elektrolytdamp medført i oxideringsgassen vil kondensere ud af oxideringsgasudstrømningen .A fuel cell stack according to claim 1, characterized in that it includes a means (P) adapted to provide a predetermined flow rate of the cooling water through the cooling passages (10) of the stack, which flow rate combined with the desired flow rate. subcooling temperature is arranged to provide a defined zone (38) of the stack near the inlet (6) to the refrigerant passages in which electrolyte vapor entrained in the oxidizing gas will condense out of the oxidizing gas effluent.

3. Stabel af brændselsceller ifølge krav 1 eller 2, 25 kendetegnet ved, at organet (P) er en pumpe, og at den tilstræbte underafkølingstemperatur er så meget lavere end vandets autoterme kogetemperatur, at en defineret zone (38) af stablen nær indløbet (6) til kølemiddelpassagerne vil blive afkølet til en temperatur, der ligger under stab-30 lens (2) elektrokemiske arbejdstemperatur, ved hjælp af kølevand, som forbliver under vandets autoterme kogetemperatur, idet den sidstnævnte temperatur er temperaturen af det kølevand, der anvendes til at afkøle resten af stablen (2) uden for den nævnte definerede zone (38).Fuel cell stack according to claim 1 or 2, 25, characterized in that the member (P) is a pump and that the desired subcooling temperature is so much lower than the autothermal boiling temperature of the water that a defined zone (38) of the stack near the inlet ( 6) the refrigerant passages will be cooled to a temperature below the electrochemical working temperature of the stack (2) by means of cooling water which remains below the autothermal boiling temperature of the water, the latter being the temperature of the cooling water used to cool the remainder of the stack (2) outside the defined zone (38).

4. Stabel af brændselsceller ifølge ethvert af kravene 1-3, kendetegnet ved, at i hovedsagen al den i DK 168679 B1 10 stablen (2) dannede damp overføres fra dampseparatoren (14) gennem et fjerde ledningssystem (16) til en katalytisk brændselsreformer.Fuel cell stack according to any one of claims 1-3, characterized in that substantially all the steam formed in the stack (2) is transferred from the steam separator (14) through a fourth conduit system (16) to a catalytic fuel reformer.

5. Stabel af brændselsceller ifølge ethvert af kravene 5 1-4, kendetegnet ved tilførselsledninger (24) til indføring af tilsætningsvand i det nævnte andet ledningssystem (18) mellem følerorganerne (T) og varmeveksleren (22).Fuel cell stack according to any of claims 5 to 4, characterized by supply lines (24) for introducing feed water into said second conduit system (18) between the sensing means (T) and the heat exchanger (22).

6. Stabel af brændselsceller ifølge ethvert af kravene 10 2-5, kendetegnet ved, at den definerede zone (38) er beliggende nær en oxideringsgasudstrømningsside (34) i stablen (2) for tilvejebringelse af et elektrolytkondensationsområde i den definerede zone (38), som er så meget koldere end den øvrige del af stablen, at elektrolyt-15 damp medført i oxideringsgassen bringes til at kondensere ud af oxideringsgassen, inden oxideringsgassen forlader stablen.Fuel cell stack according to any one of claims 10 to 2-5, characterized in that the defined zone (38) is located near an oxidation gas effluent side (34) in the stack (2) to provide an electrolyte condensation region in the defined zone (38), which is so much colder than the rest of the stack that electrolyte vapor entrained in the oxidizing gas is caused to condense out of the oxidizing gas before the oxidizing gas leaves the stack.

7. Stabel af brændselsceller ifølge ethvert af kravene 1-6, kendetegnet ved, at den justerbare ventil 20 (26) er en trevejsventil.Fuel cell stack according to any one of claims 1-6, characterized in that the adjustable valve 20 (26) is a three-way valve.